Raudasta, silikaateista ja vedestä, niistä on pienet planeetat tehty

Maapallo koostuu rauta-nikkeli ytimestä ja sitä ympäröivästä silikaattivaipasta. Se tarkoittaa kiveä — silikaatti viittaa piin ja hapen muodostamiin mineraaleihin, joista valtaosa Maapallon kiviaineksesta, kuten suomalaisille tuttu graniitti, on muodostunut.

Vettä maapallolla on vain pisara — matalien lätäköiden laikukas verkosto peittämässä pintaa. Kutsumme niitä valtameriksi mutta planetaarisessa mittakaavassa runsaan kolmenkymmenen kilometrin kuorikerros, johon valtameretkin kuuluvat, on paperinohut kuriositeetti noin kolmentuhannen kilometrin paksuisen sulasta raudasta ja kivestä koostuvan vaipan päällä.

Muualla on toisin. Jo piskuisen Jupiterin kuun Europan pinnalla on moninkertaisesti enemmän vettä kuin Maapallolla. Siihen on syynä erot kappaleiden syntyhistoriassa.

Planeettakunnat saavat alkunsa samaan aikaan kuin tähdetkin, tähtien synnyn ylijäämämateriaalista. Koko planeettamme on vain pieni tähden synnyn sivutuote, joka olisi aivan yhtä hyvin voinut jäädä muodostumatta, jos olosuhteet olisivat olleet hiukankin erilaiset.

Tähdet syntyvät, kun tähtienvälisen aineen pölyiset kaasupilvet saavuttavat kriittisen tiheyden ja romahtavat oman panovoimansa ansiosta tähdiksi. Tavallisesti tuloksena on useampia romahtamiskeskuksia ja siten useita tähtiä, kuten nopea hevosenpääsumusta otetun kuvan vilkaisu osoittaa (Kuva 1.).

Kuva 1. Kaksi näkymää hevosenpääsumuun. Oikealla on kuva näkyvän valon aallonpituuksilla ja vasemmalla on sama kohde kuvattuna infrapuna-alueen aallonpituuksilla. Infrapuna-alueen kuvassa pölyn takaa paljastuvat tähdet ovat vastasyntyneitä, nuoria tähtiä. Kuva: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (AURA/STScI); ESO.

Mutta tähtienvälinen aines on ainaisten turbulenssien kourissa. Tähtien ja niiden joukkojen lähiohitukset, sekä massiivisten tähtien supernovaräjähdysten paineaallot aiheuttavat pyörteilyä ja sekoittavat ainesta Linnunradan vetovoimakentässä. Siksi jokainen tähtienvälisen aineksen pilvi pyörii hiukan. Tiivistyessään niiden pyörimisnopeus vain kasvaa, saaden aikaan vinhasti pyörähteleviä nuoria tähtiä.

Pyörimismäärä myös säilyy universaalin säilymislain mukaisesti ja kaasun kitka saa keskimääräisestä pyörimisestä poikkeavan liikkeen vaimenemaan. Silloin alun kaoottiselta näyttävä liike muuttuu säännönmukaiseksi. Kaikki kaasu ja pöly ei pääse liikkeensä vuoksi putoamaan kohti tiivistyvää prototähdeksi kutsuttua tähtivauvaa, vaan osa jää sitä kiertäville radoille muodostaen kertymäkiekon, josta ainesta virtaa tähden pinnalle. Lopulta jäljellä on vain kaasun ja pölyn muodostama ohut protoplanetaarinen kiekko vastasyntyneen tähden ympärillä. Planeetat saavat alkunsa kiekon pölyhiukkasista.

Voimme ottaa valokuvia muodostumassa olevista planeettakunnista käyttäen millimetrialueen radioaaltoja, joiden havainnointiin Atacaman autiomaan ALMA -teleskooppirykelmä on paras instrumenttimme. Oikeastaan millimetrialueen havainnoilla saa kuvia syntyvien planeettakuntien pölykiekoista (Kuva 2.). Joiltakin radoilta pöly vain sattuu puuttumaan. Ne ovat ratoja, jotka tähteä kiertävien vastasyntyneiden planeettojen vetovoimat ovat siivonneet pölystä.

Kuva 2. Pölykiekko tähden HL Tau ympärillä. Kuva: ALMA.

Tähtienvälisen aineen pöly muodostaa planeettojen siemenet mutta se ei ole tavallista huonepölyä, joka koostuu lähinnä tekstiilien kuiduista ja ihmisten kuolleesta ihosta. Kyse on tähtienvälisen aineen vetyä ja heliumia raskaammista atomeista ja niiden muodostamista molekyyleistä, jotka takertuvat toisiinsa pieniksi kiinteiksi hiukkasiksi siellä, missä lämpötila sen sallii.

Pölyn eri ainekset erottuvat toisistaan tähteä ympäröivässä kiekossa tähden saavutettua ydinreaktioihin vaadittavan kriittisen massan ja ryhdyttyä loistamaan ja kuumentamaan kiekon sisäosia. Metallit ja silikaatit pysyvät kiinteinä kaikkein korkeimmissa lämpötiloissa ja muodostavat planeettojen siemenet lähimpänä tähteä sijaitsevilla radoilla. Ulompana on viileämpään, jolloin yleisin kahdesta eri alkuaineesta koostuva molekyyli, vesi, pysyy kiinteänä jäänä ja muodostaa valtaosan pölystä.

Lämpötila jakaa planeettakunnat karkeasti kahteen osaan. Sisemmän ja ulomman Aurinkokunnan välinen ”jääraja” muodostuu suunnilleen kolmen AU:n etäisyydelle Auringosta. Sen sisäpuolella lämpötila on niin korkea, että vesi pysyy kaasumaisessa olomuodossaan, ja planeettojen siemeninä toimivat metallit ja silikaatit. Sen ulkopuolella, jääkiteet ovat yleisimmät pölyhiukkaset, ja planeettojen siemenet ovat jäätä.

Aurinkokunnassa sisimmät planeetat ovatkin muodostuneet suunnilleen nykyisillä paikoillaan ja koostuvat lähes yksinomaan metalleista ja kivestä. Ulomman aurinkokunnan kappaleet, kuten Europa, Titan ja Pluto, jotka eivät kasvaneet riittävän suuriksi kerätäkseen ympärilleen paksut kaasuvaipat, taas ovat suureksi osaksi jäisiä.

On olemassa planeettoja, jotka koostuvat pääosin vedestä. Ne ovat eksoottisia meriplaneettoja, jollaisia Aurinkokunnassa ei ole ainuttakaan. Eksoplaneettakunnissa ne ovat jokseenkin yleisiä ja niitä on havaittu useita, kun on ollut mahdollista tehdä havaintoja sekä radiaalinopeusmenetelmällä että ylikulkumittauksilla.

Kepler avaruusteleskoopin löytämien noin kolmentuhannen planeetan havainnoista paljastui, että tyypillisiä eksoplaneettoja ovat kivi- ja metalliplaneettojen lisäksi halkaisijaltaan noin 2-3 kertaa Maapallon kokoiset kappaleet (Kuva 3.). Vaikka Keplerin ylikulkumittauksista ei saatu selville planeettojen massoja, tähtiensä editse vaeltavia planeettoja tunnetaan jo runsaasti Auringon lähinaapurustossa ja niiden havainnoista voidaan mitata sekä planeetan koko että massa. Silloin voidaan arvioida myös koostumusta ja tutkia minkälaisia planeettoja Kepler oikeastaan löysi.

Kuva 3. Eksoplaneettojen massa-säde diagrammi, joka antaa tietoa niiden koostumuksesta ja muodostumisesta (1). Värit kuvastavat planeettojen erilaisia pintalämpötiloja. Kuva: Li Zeng et al.

Planeetan halkaisijan ollessa 2.5 kertainen Maapalloon verrattuna, sen massa on noin 16 kertainen, jos koostumus vain on sama kuin Maapallolla. Mutta suurin osa sen kokoisista planeetoista on paljon kevyempiä, vain noin 7-12 Maapalloa massaltaan (Kuva 3.). Ne eivät siis voi olla koostumukseltaan maapallonkaltaisia kivipintaisia rauta-nikkeli ytimen omaavia murikoita. Kevyemmän massan voisi kuitenkin selittää tuhansien kilometrien paksuinen planeetan peittävä meri — vettä saattaisi olla jopa yli puolet planeettojen materiasta.

Meriplaneetoista ei ole juuri minkäänlaista konkreettista todistusaineistoa. Tiedämme, että vesi on yleinen aine ja sitä on Universumissamme kaikkialla. Tiedämme, että sitä on myös planeettojen kaasukehissä (1). Tuhansien kilometrien paksuiset meret ovat kuitenkin vain mitatuista keskitiheyksistä tehtyjä hypoteettisia päätelmiä ja mittausten epävarmuudet ovat suuria.

On silti selvää, että Maapallo ei edusta ainoaa tapaa rakentaa pieni planeetta. Suuri osa planeetoista on muodostunut metallia ja kiveä keveämmästä aineksesta. Vesi on todennäköisesti sellaisten planeettojen tärkein rakennusaine. Niitä voi silloin kutsua varsin mainiosti valtameriplaneetoiksi.